低逾渗MWCNTs-CB/UHMWPE导电复合材料的制备及性能

采用溶液法及机械共混法分别制备了均匀结构的炭黑(CB)/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)及隔离结构的多壁碳纳米管(MWCNTs)-CB/UHMWPE复合薄膜。扫描电镜分析显示,虽然大部分CB均匀分散于UHMWPE基体中,但依然存在明显的局部团聚,而隔离结构中的MWCNTs-CB分布于UHMWPE界面间,更易形成导电通道。导电测试结果表明,复合材料的导电逾渗值由均匀分布的4.91%(体积分数)下降到隔离结构的0.42%。MWCNTs的加入完善了CB间的导电网络,使复合材料的逾渗值进一步下降,当CB∶MWCNTs=15∶1时,复合薄膜的逾渗值由0.42%(体积分数)下降到0.24%,然而混合填料中MWCNTs含量的进一步增加几乎对逾渗值没有影响。力学性能研究表明,隔离型复合材料的拉伸强度和断裂伸长率随填充剂含量的增加呈现出先上升后下降的趋势。     

石墨烯多壁碳纳米管/超高分子量聚乙烯导电复合材料的制备及性能

为了比较超高分子量聚乙烯(UHMWPE)在单一填充和混合填充时, 复合材料导电性的差别。在超声和肼的作用下, 通过对氧化石墨烯(GO)、 多壁碳纳米管(MWCNTs)和超高分子量聚乙烯水/乙醇分散液减压蒸馏及热压制备了隔离型MWCNTs/UHMWPE、 石墨烯(GNS)/UHMWPE和MWCNTs-GNS/UHMWPE导电复合材料。经SEM、 TEM测试发现, 导电填料分散于UHMWPE颗粒表面, 热压后形成隔离结构。隔离型的MWCNTs/UHMWPE和GNS/UHMWPE复合材料均表现出较低的导电逾渗(0.148%和0.059%, 体积分数,下同), 但MWCNTs/UHMWPE复合材料的电导率(2.0×10^-2 S/m, 1.0%, 质量分数, 下同)明显高于相同填料含量下的GNS/UHMWPE复合材料。 MWCNTs-GNS/UHMWPE复合材料表现出了更低的逾渗(0.039%) 和较高导电性能(1.0×10^-2 S/m, 1.0%), 其拉伸强度和断裂伸长率随填充剂含量的增加呈现出先上升后下降的趋势。     

隔离结构石墨烯-多壁碳纳米管/超高分子量聚乙烯导电复合材料阻温特性

以多壁碳纳米管(MWCNTs)及石墨烯(GNS)为填料,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)为基体,采用溶液共混及模压工艺制备了具有隔离结构的混合填充导电复合材料。扫描电镜(SEM)和电阻率测试发现,MWCNTs、GNS形成的导电通路相互协作,填料的含量比对复合材料导电网络有明显的影响。复合材料的阻温特性曲线随填料含量比的变化而发生改变,当MWCNTs含量较高时(MWCNTs:GNS=3:1和1:1),复合材料的电阻率随温度升高而升高,在之后的降温过程中电阻率也逐渐升高;当GNS含量较高时(MWCNTs:GNS=1:3),复合材料的电阻率随温度升高而降低,降温过程中电阻率逐渐升高;经过热循环后复合材料的导电性能降低,此时复合材料中的隔离结构被破坏。     

超临界CO2爆破剥离石墨/低密度聚乙烯导电复合材料

以低密度聚乙烯为基体,天然石墨为填料,通过熔融共混法制备了导电复合材料,并进一步采用超临界二氧化碳对其进行爆破处理,得到经CO2剥离分散后的导电材料。通过万用表、旋转流变仪和万能拉力试验机对超临界二氧化碳处理前后的复合材料的电性能、流变性能和力学性能进行了测试。结果表明,未经超临界二氧化碳处理,复合体系发生导电逾渗时填料含量为40%~45%,发生流变逾渗时填料含量为35%。经超临界二氧化碳处理后,导电逾渗发生时填料含量降低到25%~30%,体系的电阻率下降了1~2个数量级,流变逾渗现象出现的填料含量也降低至20%。并且与未经超临界二氧化碳处理的复合材料相比,处理后材料的拉伸强度与断裂伸长率均有所增加。     

银纳米线/聚乙烯醇导电复合材料的逾渗特性研究

采用多元醇法制备了长径比约为240的银纳米线(AgNWs),以聚乙烯醇(PVA)为基体、AgNWs为导电填料制备了导电复合材料;基于排斥体积理论和几何相变理论对银纳米线/聚乙烯醇导电复合材料的逾渗阈值进行了分析和预测。结果表明,基于排斥体积理论计算得到的逾渗阈值(0.5816%)小于实际复合材料的实测数据;基于几何相变理论模型对材料逾渗阈值的拟合数据约为1.25%～1.31%,与实验测试得到的复合材料逾渗转变浓度范围一致性较好。因此,利用几何相变理论进行复合材料逾渗阈值和电导率的预测对于AgNWs/PVA导电复合材料的设计、制备及性能评价具有重要的指导作用。     

石墨烯/超高分子量聚乙烯导电复合材料的电性能

通过两步法制备了纳米石墨烯(GNS)/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)分离结构导电复合材料,通过扫描电子显微镜和透射偏光显微镜研究了导电复合材料的形态结构与电性能的关系。研究表明,GNS粒子能够均匀地涂覆在UHMWPE粒子表面。当GNS的体积分数为0.4%时,复合材料电导率提升了15个量级,渗流阀值为0.028%(体积分数,下同)。GNS/UHMWPE分离结构导电复合材料的正温度系数效应(PTC)研究表明,由于填料分布形态及含量的变化,导致复合材料PTC转变温度发生改变。     

聚乳酸/石墨/多壁碳纳米管复合材料的制备及性能

通过共溶剂法制备了由石墨(GN)和多壁碳纳米管(MWCNTs)掺杂的聚乳酸(PLA)纳米复合材料,借助扫描电镜等手段,研究了MWCNTs用量对复合材料微观结构、热稳定性、导热和导热性能及介电性能的影响。结果显示,MWC-NTs和GN在PLA基体中形成了稳定的导电和导热网络结构,从而导致复合材料具有较低的导电和导热逾渗阈值,其值约为MWCNTs/GN=0.5/1。MWCNTs和GN均匀分散和协同增强效应促使复合材料热稳定性、导热和导电性能明显提高。与纯PLA相比,填料在逾渗阈值附近的复合材料的初始分解温度提高了近16℃,导热系数提高了1倍,体积电阻降低了109数量级。     

UHMWPE/CNTs导电复合体系的电性能

制备了低逾渗值的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)/多壁碳纳米管(CNTs)导电复合材料,CNTs分布于UHMWPE粒子的表面和界面处。研究了UHMWPE/CNTs复合材料的温度电阻行为,发现在基体熔点附近,电阻急剧增加,并达到一最大值,然后电阻开始下降,体现负温度电阻效应(NTC)。分析了复合材料电阻松弛时间的升温速率的依赖性,结果表明,升温速率越快,电阻的松弛时间越短。     

炭黑填充多组分高分子导电复合材料的研究进展

基体为多组分高分子的填充型导电复合材料中存在“双逾渗”行为,能有效地降低导电填料的逾渗阈值,克服由填料含量过高而导致的材料加工性和力学性能下降的缺点,并能削弱材料的负温度系数(NTC)效应。本文基于国内外炭黑(CB)填充多组分高分子导电复合材料的研究进展,对CB分布、多组分高分子基体对材料体系导电性的影响、导电机理以及电导-温度依赖性等方面进行评述。     

纳米铜尺寸对于P(VDF-HFP)基复合材料介电性能及逾渗阈值的影响

用液相还原法和水热法制备出零维和具有不同长径比的一维纳米铜。通过将其作为导电填料与聚合物P(VDF-HFP)进行溶液共混来研究填料尺寸对其聚合物基纳米复合电介质材料的介电性能及逾渗阈值的影响。利用SEM、TEM、XRD、XPS对零维及一维纳米铜的形貌、结构和化学成分进行了表征;利用SEM和阻抗分析仪分别对复合材料的结构和介电性能进行了表征,纳米铜填料在聚合物基体中分散均匀,且介电常数规律符合逾渗理论。通过线性拟合得出零维纳米铜及长径比分别为100,800的一维纳米铜的逾渗阈值分别为10.9%,6.8%,2.9%(体积分数)。与零维纳米铜和低长径比一维纳米铜相比,高长径比一维纳米铜更容易在聚合物基体中形成导电网络,从而有效地降低其复合材料的逾渗阈值,使其在较低的填充量下获得高介电常数。     

炭黑填充型导电复合材料的聚集体结构模型

分析了炭黑填充聚合物导电复合材料的非线性导电行为和机理,基于有效介质理论及以炭黑聚集体的等效球形单元为基本单元,建立了描述其非线性导电行为的聚集体结构模型。进而推导出复合体系导电率与炭黑体积分数之间的关系式及其逾渗阈值的计算式,克服了有效介质理论只能得到逾渗阈值为1/3而不能解释低于1/3的逾渗阈值的不足。应用这些表达式预测了导电复合体系的导电率和逾渗阈值,并与实验结果进行了比较,结果表明:预测值与实验结果有较好的一致性。     

Preparation and properties of carbon black/polymer composites with segregated and double-percolated network structures

A carbon black (CB)/low-density polyethylene (LDPE)/ultrahigh-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) composite with a segregated and double-percolated structure has been fabricated using the solution mixing and high-speed mechanical mixing method. Structural observations show that the conducting CB/LDPE layers were only dispersed at the interface of UHMWPE granules and formed a well-developed CB conductive network with a percolation threshold of 0.26 vol%. The low percolation threshold in CB/LDPE/UHMWPE composites can be explained by the segregated and double-percolated networks of CB within the polymer matrix. A noticeable double positive temperature coefficient of resistivity can be observed around the melting temperature of LDPE and UHMWPE followed by a negative temperature coefficient of resistivity. The microstructure evolution of CB/LDPE/UHMWPE composites can be observed and explained by in situ optical micrographs.     

填充型聚合物基复合材料的导电和导热性能

研究了高密度聚乙烯为基体、炭黑和炭纤维为填料复合体系的导电和导热性能。发现当导电填料的含量达到渗流阈值时,复合材料的电导率急剧升高;而在渗流阈值附近,其热导率未出现突变。这表明电导渗流现象不完全是由导电粒子通过物理接触生成导电链所致。其导电机制是相当数量的导电粒子相互发生隧道效应。     

交替微层结构PPCB/PP导电复合材料的结构与性能

利用自主设计的微层共挤出设备,制备了具有交替微层结构的炭黑填充聚丙烯/聚丙烯(PPCB/PP)导电复合材料。PPCB层和PP层均为连续相,炭黑仅选择性分散在PPCB层内,形成一种特殊的双逾渗现象。电性能测试表明,微层共挤出技术可显著降低微层PPCB/PP复合材料的逾渗阈值和电阻率,其导电性能与材料层数相关。此外,微层共挤出方法能明显改善材料的韧性。     

炭黑碳纤维填充双组分聚合物体系的导电网络及其阻温特性

以2种不同形态尺寸的导电填料炭黑(CB)、 碳纤维(CF)填充双组分聚合物体系高密度聚乙烯(HDPE)聚丙烯(PP), 制备了四元导电复合材料。研究了导电网络的结构形态及其对材料阻温特性的影响。光学显微镜及SEM 观察表明: 炭黑选择性地分布于HDPE中, 体系中HDPE与PP呈双连续相分布, 形成双渗流导电网络结构。而具有较高长径比的碳纤维在两相基体中均匀分布并贯通多个相区, HDPE导电相区的碳纤维相互桥接形成导电网络。电性能测试结果表明: 体系的体积电阻率与CB/HDPEPP及CBCF/HDPE三元复合体系相比下降了1~5个数量级。同时, 双渗流导电网络的存在也有效抑制了负温度系数(NTC)效应, 提高了循环稳定性。与CBCF/HDPE体系相比, CBCF/HDPEPP体系的NTC效应从2个数量级下降到0.6个数量级, 电阻特征弛豫时间从951s增加到了2370s。      

Conductive network formation in the melt of carbon nanotube/thermoplastic polyurethane composite

This research concerns the effect of conductive network formation in a polymer melt on the conductivity of multi-walled carbon nanotube/thermoplastic polyurethane composite systems. An extremely low percolation threshold of 0.13 wt.% was achieved in hot-pressed composite film samples, whereas a much higher CNT concentration (3–4 wt.%) is needed to form a conductive network in extruded composite strands. This is explained in terms of the dynamic percolation behaviour of the CNT network in the polymer melt. The temperature and CNT concentration needed for dynamic percolation to take effect were studied by the conductivity versus temperature behaviour of extruded strands, in an attempt to optimise the processing conditions.     

Percolation threshold of carbon nanotubes filled unsaturated polyesters

This paper reports on the development of electrically conductive nanocomposites containing multi-walled carbon nanotubes in an unsaturated polyester matrix. The resistivity of the liquid suspension during processing is used to evaluate the quality of the filler dispersion, which is also studied using optical microscopy. The electrical properties of the cured composites are analysed by AC impedance spectroscopy and DC conductivity measurements. The conductivity of the cured nanocomposite follows a statistical percolation model, with percolation threshold at 0.026 wt.% loading of nanotubes. The results obtained show that unsaturated polyesters are a matrix suitable for the preparation of electrically conductive thermosetting nanocomposites at low nanotube concentrations. The effect of carbon nanotubes reaggregation on the electrical properties of the spatial structure generated is discussed.     

CNTs/ UHMWPE composites with a two-dimensional conductive network

A low percolation threshold can be achieved for the conductive polymer composites(CPC) materials having a segregated structure in which the conductive particles like carbon black (CB), carbon nanotubes (CNTs), etc. are only located on the interface of the polymer matrix particles instead of being randomly distributed in the whole system. Multiwalled carbon nanotubes (MWNTs) were experienced alcohol-assisted dispersion under ultrasonication and intense mechanical mixing, and only located on the interfaces of the ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) matrix particles to form a segregated structure. The morphological observation and the critical exponent t value obtained from the classical threshold mechanism indicate that the MWNTs/UHMWPE composites form a 2-dimension conductive network, which leads to a very low percolation of 0.072vol%.